大跨度铁路钢桥ppt课件.ppt

《大跨度铁路钢桥ppt课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《大跨度铁路钢桥ppt课件.ppt（147页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、大跨度铁路钢桥设计及关键建造技术,1.大跨度铁路钢桥工程实例2.大跨度铁路钢桥技术特点3.材料与结构的关键技术4.钢桁梁斜拉桥的技术创新5.钢拱桥建造关键技术6.设计施工中几个值得注意的案例,主要内容,1.大跨度铁路桥梁工程实例,日本岩石岛与柜石岛大桥，主跨420m钢桁梁斜拉桥，建于1980年代,丹麦厄勒海峡大桥，主跨490m钢桁梁斜拉桥，建于1990年代,芜湖长江大桥，主跨312m钢桁梁矮塔斜拉桥，2000年建成通车,武汉天兴洲长江大桥，主跨504m钢桁梁斜拉桥，2009年建成通车,安庆长江大桥，主跨560m钢桁梁斜拉桥，2013年建成,黄冈长江大桥，主跨567m钢桁梁斜拉桥，2013年建成

2、,铜陵长江大桥，主跨630m钢桁梁斜拉桥，2013年建成,沪通长江大桥，主跨1092m钢桁梁斜拉桥，已开工建设,蒙华铁路洞庭湖大桥，主跨2x406m钢桁梁三塔斜拉桥，已开工建设,芜湖长江公铁二桥，主跨588m钢桁梁大小矮塔斜拉桥，计划年内开工,丹麦-德国费马恩跨海大桥，主跨700m钢桁梁斜拉桥,大胜关长江大桥，主跨2x336m双主跨三主桁钢桁拱桥，2011年建成通车,南广铁路西江大桥，主跨450m钢箱拱桥，2013年建成,印度Chenab Br.，主跨480m钢桁组合拱铁路桥，计划2009年完工，后担心结构的稳定与安全，计划有所推迟,成贵铁路鸭池河大桥，主跨436m钢桁组合铁路拱桥，施工中,成

3、贵铁路金沙江大桥，主跨336m，施工中 公铁两用桥梁 五跨连续拱 固端钢箱拱,钢桁结构的斜拉桥与拱桥，均是大跨度高速铁路桥梁合理的桥式方案,2.高速铁路大跨度桥梁技术特点,首先，列车安全、舒适运行要求大跨度桥梁具备足够的竖向、横向刚度,铁路桥具有较为刚性的主梁,铁路桥除了总体的体系刚度，还需要良好的铁路桥面局部刚度，因此主梁采用钢桁梁较多,动力性能要求高 其次，应尽可能选用阻尼大的结构并具有一定的参振质量，抑制桥上列车的振动响应。 第三，桥上列车的振动响应与线路条件（尤其是轨道不平顺）有较大关系，因此也需要具备足够的桥面整体性。 另外，列车运行对轨道匀顺性有较高的要求，梁端转角限值竖向转角2、

4、水平转角1。,结构措施1-采用桁梁或桁拱以获得较好竖向刚度,斜拉桥主梁采用钢桁梁，或主桥采用钢桁拱结构，以获得较好的竖向刚度。 设置60-100m的端跨，提高体系刚度，以减小梁端转角。,结构措施2-采用板桁组合结构取得良好的横向刚度,桥面结构采用多横梁与纵梁、纵肋、弦杆结合的整体桥面结构，能较好地满足高速行车性能要求。,结构措施3-采用整体正交异性钢板提高了桥面的平顺性,高速铁路大跨度桥梁的关键技术,新材料：高性能的高强度结构钢新结构：板桁组合结构，钢正交异性板整体桥面结构新的建造技术：钢桁梁斜拉桥及钢桁拱桥创新技术,3.材料与结构方面的关键技术3.1 高性能的高强度结构钢,1 碳素结构钢：低

5、碳钢强度低，高碳钢焊接性差2 低合金高强度结构钢:添加少量合金元素,提高强度、细化晶粒、改善性能3 高强钢丝和钢索材料:由优质碳素钢经过多次冷拔而成，抗拉强度 1670-1960MPa，伸长率较低 4 %,桥梁用结构钢,中国、美国、欧洲及日本桥梁用结构钢,Q345-16Mnq 为建造南京长江大桥，1960年代研制，运用于栓焊钢梁，但厚板效益严重。 1990年代冶炼技术提高后，硫、磷含量可以得到控制，16Mnq也可用于全焊接结构。但受板条状的铁素体和珠光体组织的约束，质量等级只能达到D级钢的水平。Q370-14MnNbq 1995年修建芜湖长江大桥，采用铌合金超纯净的冶金方法，研发运用了该钢种。

6、具有优异的-40低温冲击韧性（Akv120J），弥补了厚板效应缺陷，保证了50mm厚钢板焊接性能。 14MnNbq钢全面满足了大、中型桥梁建设的需要，在国内的大跨度桥梁中得到普遍运用。,中国桥梁钢运用及发展,Q420-15MnVNq、15MnVq（热轧+正火） 15MnVNq强度高s420Mpa，但由于采用加钒提高强度的方法，导致钢板低温韧性及焊接性能差，仅在栓接为主的桥梁上运用，且一直未能得到推广应用。 Q420及以上级别桥梁钢，虽然在几个标准中都已经列入，实际没有对应的钢种，尤其质量等级高的高性能结构钢。,Q420qE（TMCP或热机械轧制） 超低碳针状铁素体组织 高性能结构钢，良好焊接性

7、能、优异的低温冲击韧性、高强度 适应大线能量、高湿度与不预热的条件 大桥设计院与武钢联合开发,Q500qE 为沪通桥研制开发 高性能结构钢 期待中,Q345-16Mnq 广泛使用Q370-14MnNbq 广泛使用Q420-15MnVNq、15MnVq 已经不再使用 Q420qE 可广泛使用,还需要研制并得到验证的钢种Q460Q500（沪通桥研制中）Q550Q620Q690,桥梁钢的发展方向除Q370外，Q420及Q500也会成为桥梁的主力钢种；近年来，在桥梁上运用高性能钢已经成为研究热点；美国HPS-70W、 HPS-100W 钢和日本的SMA570W钢已经得到运用；耐候钢成为了高性能钢的一个

8、发展方向，逐步在桥梁上得到运用。,结构钢的四个主要技术标准,铁路桥梁钢设计规范,关注一个钢种的哪些性能？高的强度：抗拉强度Rm和屈服点Rel比较高；良好的焊接性能：碳当量Ceq、焊接裂纹敏感性指数Pcm低，P、S含量低；优异的防断性能：低温冲击韧性、纤维断面率适应低温及冲击荷载作用；足够的变形能力：即塑性和韧性性能好，屈强比低；抗层状撕裂性能：厚度方向性能好。,TMCP,TMCP,断裂力学安全判据：结构材料所具有的断裂抗力必须高于结构物所承受的最高断裂驱动力KCKI 断裂驱动力，以裂纹尖端应力场的应力强度因子KI来表达 断裂抗力，用系列温度大板拉伸及冲击特征值表达,材料的韧性决定于三个条件：1

9、工作应力；2环境温度；3构件板厚,3.2 板-桁结构结构,板桁组合结构中桥面板作为主桁弦杆翼缘的一部分参与第一体系受力（结构的整体作用）,桥面板参与主桁第一体系作用，提高承载能力、增大体系刚度,桥面系参与主桁下弦杆第一体系作用的有效面积比在0.53至0.80（ 与下弦杆和桥面系的面积比RA有关）。,在多横梁的整体桥面结构中，传力途径： 路径1（ R1）：先纵向，后横向，即：桥面板-纵梁-节点大横梁-节点路径2（ R2）：先横向，后纵向，即：桥面板-节间横梁-弦杆-节点,路径2占65%，与桥面板连接的主桁弦杆承受节间荷载，为压弯或拉弯构件,板桁组合结构研究国内七十年代于北江大桥开始，展开了板桁组

10、合结构第一体系作用下桥面板有效翼缘宽度取值的研究，对受力特性的认识是清晰的。板桁结构为空间受力结构，空间作用效应明显，因此： 1）结构整体性要求板桁连接采用焊接； 2）纵横向的刚性连接，要求主桁、横梁等用材应具备良好的焊接性能与厚度方向性能； 3）与桥面板连接的弦杆，由承受轴向力为主的构件变为承受压弯或拉弯，应按压弯或拉弯构件设计； 多年来限于材料与制造技术，板桁组合结构进展不大。现在材料进步、制造水平提高，条件具备，主要需要解决板桁组合结构构造问题。,组合结构板桁节点构造,德国高速铁路ICE下承式钢桁-钢桥面板结合桥节间长度5.2m，采用了开口截面弦杆，节点板穿过桥面板，焊缝过渡处设置圆孔，

11、构造简单,德国高速铁路ICE下承式钢桁-钢桥面板结合桥,丹麦厄勒海峡大桥桥面钢箱梁、钢桁分别制造因整节段吊装，板桁可在工厂固定台座上组拼，组装精度可得到保障桥面板与下弦杆上翼缘对接横梁腹板与下弦杆横隔板对接,日本新干线下弦杆和钢桥面板结合的低高度下承式钢桁桥下弦杆采用箱型杆件采用了节点板穿过下弦杆翼缘的方式,长大跨桥梁特点1、箱型弦杆，不能设置焊缝过渡孔2、散件悬臂拼装，板桁在工地连接，隐蔽对接精度不能保证,节点板与桥面板两者垂直相交，要解决好桥面板在节点板相交位置的连续过渡。四种解决方案.,1）竖向拼接：板桁分别制造，然后在下弦杆内侧竖腹板两边对焊工地散件拼装时，十字焊承载板难于对齐。,全熔

12、透十字焊,部分熔透十字焊,2）板桁分别制造，竖向拼接，拼缝位于下弦杆的接头板处工地散件拼装时，桥面板与下弦杆接头板对接焊的位置易于保证，桥梁全长对接缝增加一条。,3）水平拼接：桥面板连续，节点板分上下两块，在桥面板上下侧对焊节点范围反复拉力作用对接焊不可取。,4）桥面板开槽，节点板上穿桥面板后周边熔透焊接制造难度大，工艺复杂。,经过多方案的比选，采用桥面板开孔、节点板穿过围焊的方法。,节点板上穿桥面板，制造工艺措施,疲劳试验表明，疲劳允许应力纵向与横桥向可达到90、71Mpa。,下弦杆连接焊缝全长范围内采用双侧焊缝,横梁连接焊缝双侧部分熔深坡口焊缝,3.3 钢正交异性板整体桥面结构,整体桥面结

13、构型式比选,采用明桥面的钢桁梁桥，由于枕木易于变形，轨道不能保持稳定的理想线形，通过改造，明桥面的钢桁梁仅可安全运行时速140160 km/ h的客运列车。,国外铁路桥钢桁梁桥面结构型式钢筋混凝土板钢桁结合方案正交异性钢板钢桁结合方案钢箱梁钢桁结合方案,车桥耦合振动计算表明： 三种桥面对列车响应差别不大； 对桥梁响应而言，明桥面则会引起较大的桥面振动加速度。,三种结构形式的桥面方案：(1) 铁路纵横梁与混凝土道碴槽板结合桥面方案；(2) 正交异性钢桥面方案1(大纵梁、节点横梁方案)；(3) 正交异性钢桥面方案2(节间多横梁方案)。,仅设置节点横梁纵梁高1.5m,设置节间横梁纵梁高0.5m,在钢

14、桁梁节间下弦杆范围内布设多道横梁 采用小刚度纵梁的正交异性钢桥面板结构 使得桥面板结构参与主桁作用的效应减低，优化了桥面板兼作第一、第二系统承载结构的受力状态 板桁组合结构的密布横梁体系的正交异性钢桥面板结构。,4.钢桁梁斜拉桥新技术,铁路斜拉桥与一般公路斜拉桥相比，为减小列车通过时产生的振动，要求更大的刚度、抑振质量与阻尼。 在斜拉桥，塔、梁、索几个主要部件中，铁路斜拉桥主梁往往采用刚度较大的钢桁梁或钢桁结合梁。 大跨度斜拉桥从受力需要往往采用板桁组合结构，增加主梁的承压面积。 高速铁路斜拉桥，为增强结构横向刚度与结构整体性也需要采用板（或箱）桁组合结构。,1、铁路斜拉桥工程实例几种施工方法

15、,其一，逐根构件悬臂架设其二，逐段桁片悬臂架设第三，逐段桁段吊装施工,芜湖桥逐根构件悬臂拼装,芜湖桥逐根构件悬臂拼装,铜陵桥逐段桁片悬臂拼装,铜陵桥逐段桁片悬臂拼装,铜陵桥逐段桁片悬臂拼装,厄勒海峡桥大节段吊装施工,厄勒海峡桥大节段吊装施工,厄勒海峡桥大节段吊装施工,厄勒海峡桥大节段吊装施工,厄勒海峡桥大节段吊装施工,天兴洲大桥整节段吊装施工,天兴洲大桥整节段吊装施工,天兴洲大桥整节段吊装施工,天兴洲大桥整节段吊装施工,天兴洲大桥整节段吊装施工,第一，钢桁梁用作斜拉桥主梁时，以承压为主，受力是不合理的。 1腹杆杆端弯矩大且控制截面设计 钢桁梁构件分布于截面轮廓的外围，承弯作用的效率最高。但是，

16、当钢桁梁被用作斜拉桥主梁时，以轴向受压作用为主，而斜拉索只能偏上下弦一侧锚固，腹杆因上下弦压缩量不一致而产生较大的弯矩，腹杆因次弯矩控制截面设计； 2腹杆轴力不大但截面受弦杆尺寸控制 斜拉桥主梁以受压为主，主梁剪力与跨度关系不大，即腹杆轴力小而弦杆轴力大，选择了合适的弦杆截面尺寸往往导致腹杆截面宽度太大，腹杆王字形截面是典型的事例。,2、钢桁梁斜拉桥设计施工上的难题设计,第二，斜拉索直接锚固于上弦节点，也是不尽合理的方案。斜拉索直接锚固于钢桁梁的上弦是最为便捷的方式，但会给本来应力集中程度高的节点又增加了需要传递斜拉索水平分力额外的负担。 因此，斜拉索锚固与于主梁时，应首先传递给截面面积最大、

17、最为集中的桥面板结构或钢箱结构。,2、钢桁梁斜拉桥设计施工上的难题设计,2、钢桁梁斜拉桥设计施工上的难题设计,第三，受力不合理导致设计、制造与施工的异常困难。 1焊缝熔深大、材料的性能要求高，制造难度大、风险高； 2板厚大、构件重量大，吊装运输难度大，现场对位矫正困难；,施工上的难点：钢桁梁节段体量大而重、构件散而多；采用逐根构件架设的方法，其效率低，高空作业量大，危险性因素多；,2、钢桁梁斜拉桥设计施工上的难题施工,采用整体节段架设方法，效率高，但对运输、架设设备以及预拼装场地要求高。,2、钢桁梁斜拉桥设计施工上的难题施工,采用桁片架设方法，效率与机具设备要求介于两者之间，没有根本的变化。,

18、2、钢桁梁斜拉桥设计施工上的难题施工,大跨度斜拉桥的板桁组合结构主梁，由整体性好的扁平桥面板系统与离散化的钢桁梁结构构成。 两种不同性质与不同受力特性的结构，应采用各自适应的施工方法。,3、新的主梁结构及施工新技术,正交异性钢桥面板可采用边箱或边主梁的结构，与大跨度公路斜拉桥的扁平钢箱梁结构相似、为扁平结构，方便大节段制造、运输及吊装。该板结构，整体性好，整体制造、运输与吊装，效率高、精度高、平顺性好。,钢桁梁为离散化结构，适合逐根架设拼装。在桥面板结构系统架设之后，将它作为工作面，在其上拼装钢桁梁构件，变高空施工为地面施工，拼装的安全与效率极大提高。,1.下弦杆与桥面板系统形成分离边箱的结构

19、、高度2.5m，分离边箱的结构采用大节段吊装，先行成桥；,实施步骤,2. 而后，在其上逐根架设钢桁构件；3. 拼装正三角主桁；4. 分段合拢上弦；5. 逐个合拢上弦合龙口。,1、整体受力状况 钢桁与桥面钢箱分次成桥，全部一期恒载由分离边箱结构承受，钢桁梁仅承受部分恒载与活载，受力合理。 边钢箱与桥面系统，板厚均在28mm以下，局部36mm；钢桁构件，最大设计承载力1200t，板厚均在28mm以下，局部42mm。 用钢量大为降低，17.5t/m。,关键技术与措施,2、上弦杆疲劳检算 钢桁仅承受部分恒载，其恒载内力小，需进行疲劳检算。 检算结果研究表明： 仅辅助墩附近节段的上弦杆为疲劳控制设计；

20、其余的上弦杆，以受压为主，受拉状态下的应力幅为受压状态下的应力的0.3-0.5；,关键技术与措施,3.板与桁分步受力，不同步变形对安装过程中拼装的影响？ 研究表明： 分步架设的板与桁，上下弦节点的水平位移差，跨中合拢段为38mm，其余均在2.3mm以下； 一般节段，钢桁梁构件利用上弦栓孔的错位，或适当加大栓孔即可安装； 合拢段，采用预留余量结合监控结果特制的方法。,4.分离钢箱架设完成后，桥面线形不好时钢桁梁安装问题？ 首先，可全面调整索力调整桥面线形，改善桥面线形； 第二，所有钢桁梁构件在桥面上安装成正三角，正三角的安装属于自由拼装，容易成形； 第三，视桥面线形，分段（24个节间）安装上弦杆

21、，计算表明上弦杆合拢口施加10-30t拉力即可满足上弦杆合拢要求； 第四， 分段之间上弦杆也可采用现场工地焊接，现场工地焊接的上弦杆若为疲劳控制设计，按现场工地焊接的疲劳等级进行检算适当增加构件截面的难度也不大。,5.钢拱桥建造关键技术,南广铁路西江大桥,拱肋为箱形断面，宽度为5.1m，拱顶处高8m；拱脚处高15m。,桥面为钢横纵梁+混凝土桥面板的组合体系，高3m，桥面板采用40cm厚的混凝土板。,现时的技术水平特征1-制造技术：机器人焊接、大规模固定式组装平台及立体试拼装技术，厚板全焊接钢结构全面得到运用；2-高强度、高性能材料：Q420高性能结构钢成功运用；3-组合结构设计理论及方法：高强

22、预应力混凝土结构技术成熟；钢-混凝土混合结构钢塔、主梁广泛得到运用；整体节点、板桁组合结构构造成功运用；4-精确制造安装及施工控制技术成熟可靠。,结构体系1-固端拱；2-拱脚段钢-混凝土组合结构；3-大节段钢箱拱或钢桁拱；4-桥面以下多横向连接构件加强稳定性，桥面以上少横向构件获得简洁的景观效果。,缆索吊节段悬拼法施工,缆索吊主跨476m，最大节段吊重300t采用固端拱的结构体系，节段吊装中线形控制是关键,节段制造，长12m，最大重量300t,节段组拼,焊接工艺评定,拱脚节段500t浮吊吊装,缆索吊安装,缆索吊吊装,钢桁梁制造,中跨合拢段的吊装,拱脚固结的提篮拱桥，节段悬臂拼装施工，中跨实现高

23、精度合拢，节段拼装中的线形控制是本桥的关键,锚碇的受力的变形监控是全桥安全的保障,京沪高速铁路南京大胜关长江大桥,1、新结构新桥式-双主拱三主桁拱桁组合结构 长江南京河段若一跨跨越主航道，主孔跨度将超过600m ，造价高且高速行车的运行条件不好。 因此,将主跨减半、设置双主跨供上下行航道分别通行是最优选择。 拱桥能提供最好的刚度，所以需研究大跨度双主拱桥新技术，满足高速铁路运行的刚度及六线铁路承载力的要求。,2、新桥面-钢正交异性板整体铁路桥面 传统钢桁梁明桥面，动力性能差、行驶噪音大，故其最大行车速度一般控制在140km/h以下。 本桥设计速度300km/h，明桥面结构已不能满足行车要求，为

24、此须研究竖向、横向刚度大，整体性好的铁路桥面新结构。,3、新工法-多重拉索调整双主拱安装合龙技术 传统钢梁架设，一般是先悬臂拼装，然后通过顶落梁来合龙中跨；本桥中主墩钢梁为单支点双悬臂安装，支点处于墩梁固结状态，无法进行顶落梁施工。因此，需研究双主跨钢桁拱合龙技术，解决架设技术难题。,创新点一：双主拱三主桁拱桁组合结构,利用航道中间分隔带设置中主墩，从而减小了主桥跨度、降低了工程造价；首创了双主拱拱桁组合结构，全桥刚度良好、结构连续，既满足高速行车要求，又具有良好的景观效果。,创新点一：双主拱三主桁拱桁组合结构,设置第三主桁，并研发应用Q420qE新型桥梁钢，满足了承载六线铁路荷载的重载要求，

25、建成了世界上承载铁路最多的桥梁。,首创的双主拱三主桁拱桁组合结构是世界上首座六线铁路桥梁是目前世界上运营时速300km级别跨度最大的桥梁,研究采用正交异性桥面板结构，提高了桥面结构的刚度、整体性和平顺性，解决了桥面动力性能差、维护工作量大的难题；系统研究并形成了板桁组合结构设计及制造技术标准。,创新点二：钢正交异性板整体铁路桥面,是国内首次在高速铁路桥梁上研究采用钢正交异性板整体桥面开创了我国高速铁路钢桁梁（拱）整体桥面的技术先河对大跨度高速铁路桥梁的建设起到了引领和示范作用,创新点二：钢正交异性板整体铁路桥面,创新点三：多重拉索调整双主拱安装合龙技术,边主墩钢梁采用三层吊索塔架辅助单悬臂架设

26、，中主墩钢梁采用墩旁托架与钢梁固结，三层平索辅助进行双悬臂对称架设；通过主动张拉多层拉索控制钢梁合龙口的位移，实现双主拱同步精确合龙。,创新点三：多重拉索调整双主拱安装合龙技术,提出了三主桁钢梁线形控制方法，通过对三主桁线形偏差进行主动监控与调整，有效地控制了三主桁线形偏差。,首创的多重拉索调整双主拱安装合龙技术，解决了双主拱安装架设及合龙的难题，实现了钢桁拱桥架设合龙技术的重大突破。,创新点四：双壁钢围堰整体浮运、无导向船重锚精确定位技术,利用重锚预设强大预拉力，有效消除定位系统的非弹性变形，提高定位系统刚度，控制钢围堰的平面位移解决了钢围堰在潮汐河流中悬浮状态精确定位的难题,创新点五：大跨

27、度拱桥长吊杆多重抑振技术,设计采用气动性能最优的矩形大切角断面吊杆，提高了吊杆的起振风速。调谐式减振器质量参数、刚度参数及阻尼参数完全分离，调谐更为准确，抑振效率更高。,研究解决了长吊杆起振风速低、常规减振器减振效果及耐久性差的技术难题，实现了长吊杆施工至成桥运营全过程的多重抑振。,发明专利10项、实用新型专利7项国家级工法1项，省部级工法4项国际大奖1项，省部级科技奖3项,首创的“双主拱三主桁拱桁组合结构”、“钢正交异性板整体铁路桥面”开创了我国高速、大跨、重载铁路桥梁的技术先河； “多重拉索调整双主拱安装合龙技术” 是对传统钢桁梁安装合龙技术的重大突破，提出了一种更经济、安全、高效的施工方法。 该项目成果对高速铁路桥梁的建设起到了引领和示范作用。,8.几个值得注意的桥梁案例,谢谢大家！,